ベーン型ポンプおよび冷媒回路
【課題】起動時にベーンをシリンダ内周壁に張り出すことができるベーン型ポンプと、これを利用した冷媒回路とを提供する。
【解決手段】楕円筒状のシリンダ１１内に放射状に形成された複数のベーン溝１２ａを有するロータ１２を回転可能に設け、このベーン溝１２ａの各々にロータ半径方向に移動可能なベーン１３を設け、吐出口１１ａからベーン溝底部１２ｂへの連通経路１４ｃを設けたベーン型ポンプ１において、吐出口１１ａと吸入口１１ｂとの間に通常時閉のバイパス経路１５を設け、前記ロータ１２の駆動モータ１６を設け、ロータ１２の駆動開始後にバイパス経路１５が開き、吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力より高くなったらバイパス経路１５が閉じる開閉弁１５ａおよび逆止弁１５ｂを設けたものである。また、このベーン型ポンプ１を備えた冷媒回路である。
【解決手段】楕円筒状のシリンダ１１内に放射状に形成された複数のベーン溝１２ａを有するロータ１２を回転可能に設け、このベーン溝１２ａの各々にロータ半径方向に移動可能なベーン１３を設け、吐出口１１ａからベーン溝底部１２ｂへの連通経路１４ｃを設けたベーン型ポンプ１において、吐出口１１ａと吸入口１１ｂとの間に通常時閉のバイパス経路１５を設け、前記ロータ１２の駆動モータ１６を設け、ロータ１２の駆動開始後にバイパス経路１５が開き、吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力より高くなったらバイパス経路１５が閉じる開閉弁１５ａおよび逆止弁１５ｂを設けたものである。また、このベーン型ポンプ１を備えた冷媒回路である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイパス構造を有するベーン型ポンプと、それを用いた冷媒回路とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、楕円筒状のシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設けて構成されたベーン型ポンプが知られている。このベーン型ポンプは、ベーン溝底部に供給される潤滑油を、冷媒ガスの吐出圧で加圧することで、圧縮機起動時のベーンの飛び出しを良くしていた。
【０００３】
しかし、ベーン溝底部に供給される潤滑油を冷媒ガスの吐出圧で加圧する場合、吐出圧が高くなっていないとベーンの飛び出し性か悪くなってしまうことが懸念される。
【０００４】
そこで、従来より、このベーン型ポンプにおいて、起動時にベーンをシリンダ内周壁に張り出させるために、吐出圧によらない高圧冷媒をベーン溝底部に供給する構成が公知となっている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、起動時にベーンがロータの半径方向に飛び出したときに生ずるベーンとベーン溝底部との隙間に流れ込む冷媒が、ベーンのベーン溝底部への復帰により圧縮されて高圧となるので、この高圧冷媒を他のベーン溝底部に導く構成にすることによってベーンを張り出させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０９５８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１記載のベーン型ポンプの場合、起動時にベーンがシリンダ内を十分に仕切れないまでもロータの半径方向に飛び出すことが前提となっており、ベーンの飛び出し量が不十分な場合には、対応できない可能性がある。
【０００８】
本発明は係る実情に鑑みてなされたものであって、ベーンとベーン溝底部との間に流れ込む冷媒によらないで起動時にベーンをシリンダ内周壁に張り出させることができるベーン型ポンプと、これを利用した冷媒回路とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明のベーン型ポンプは、楕円筒状のシリンダを設け、このシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設け、吐出口からベーン溝底部への連通経路を設けたベーン型ポンプにおいて、吐出口と吸入口との間に通常時閉のバイパス経路を設け、前記ロータの駆動手段を設け、ロータの駆動開始後にバイパス経路が開き、吐出口の圧力が吸入口の圧力より高くなったらバイパス経路が閉じる調圧手段を設けたものである。
【００１０】
上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、吐出ガス冷媒の膨張によって回転する膨張機を駆動手段として設けたものである。
【００１１】
上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、電動機を駆動手段として設けたものである。また、上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸と電動機の出力軸とを磁気継手で連結したものである。
【００１２】
また、上記課題を解決するための本発明の冷媒回路は、上記ベーン型ポンプを、第二圧縮機として備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように、本発明によると、ベーン型ポンプの起動時は、ベーンの張り出しが不十分なためポンプ自体が圧力損失の原因となって吐出口圧力が吸入口圧力よりも低くなる現象が生じる。このときにバイパス経路の調圧手段によって吐出口と吸入口とを一時的にパイパスすることにより、吐出口には、圧力損失を受ける前の吸入口圧力が働き、この吐出口を通じてベーン溝底部にも吸入圧力が働いてベーンをシリンダ内周壁に張り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るバイパス構造を有するベーン型ポンプの全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係るベーン型ポンプの要部構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明に係るベーン型ポンプのシリンダに納まったロータ部分を示す平面図である。
【図４】図２に示すシリンダブロックのIV-IV線断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は本発明に係るベーン型ポンプの他の実施の形態を示す概略図である。
【図６】本発明に係るベーン型ポンプの駆動連結状態を説明する断面図である。
【図７】図６のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７に示す本発明に係るベーン型ポンプを使用した冷媒回路図である。
【図９】図８に示す冷媒回路のモリエル線図である。
【図１０】（ａ）は図７に示すベーン型ポンプを使用した冷暖房装置の概略図、（ｂ）は図６に示すベーン型ポンプを使用した冷暖房装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１ないし図４は本発明に係るベーン型ポンプ１の全体構成の概略を示している。
【００１７】
すなわち、このベーン型ポンプ１は、楕円筒状のシリンダ１１を設け、このシリンダ１１内に放射状に形成された複数のベーン溝１２ａを有するロータ１２を回転可能に設け、このベーン溝１２ａの各々にロータ１２の半径方向に移動可能なベーン１３を設け、吐出口１１ａからベーン溝底部１２ｂへの連通経路１４ｃを設けたものにおいて、吐出口１１ａと吸入口１１ｂとの間に、開閉弁１５ａおよび逆止弁１５ｂを有するバイパス経路１５を設け、前記ロータ１２の駆動モータ１６を設け、ロータ１２の駆動開始後にバイパス経路１５が開き、吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力より高くなったらバイパス経路１５が閉じるものである。
【００１８】
シリンダ１１は、内周面が楕円筒状に形成されており、内周壁面には吐出口１１ａと吸入口１１ｂとが交互に二つずつ設けられている。吐出口１１ａ同士と、吸入口１１ｂ同士とは、それぞれ対向する位置に設けられている。吐出口１１ａは、シリンダ１１およびサイドブロック１４に設けられた吐出路１４ａを介して圧縮した冷媒を外部に吐出することができるようになされている。吸入口１１ｂもシリンダ１１およびサイドブロック１４に設けられた吸入路１４ｂを介して冷媒をシリンダ１１内に吸入することができるようになされている。このシリンダ１１の底面に相当するシリンダ１１のサイドブロック１４には、円弧溝状に形成された背圧供給ポート１４ｄが設けられている。この背圧供給ポート１４ｄは、図４に示すように、吐出路１４ａとの間を連絡経路１４ｃによって連絡されている。
【００１９】
ロータ１２は、シリンダ１１内に装着可能な円柱状に形成されており、その中心には、回転軸取付穴１２ｄが設けられて回転軸１２ｃが取り付けられている。このロータ１２は、シリンダ１１内に装着される。ロータ１２の外周面にはスリット状のベーン溝１２ａが放射状に形成されている。各ベーン溝１２ａには、ロータ１２の半径方向に出没可能にベーン１３が装着される。
【００２０】
ベーン１３は、ロータ１２の回転による遠心力とベーン溝底部１２ｂに作用するベーン背圧とによりロータ１２の外周面からシリンダ１１の内周面に向かって進退自在となっており、シリンダ１１の内周面とロータ１２の外周面とで形成される空間を、複数の圧縮室１１０に仕切っている。この際、ベーン溝底部１２ｂに作用するベーン背圧は、シリンダ１１およびサイドブロック１４の吐出路１４ａから連絡経路１４ｃを介して背圧供給ポート１４ｄから供給される。このベーン背圧は、シリンダ１１の内周面とロータ１２の外周面との距離が離れた位置に来る一定角度の範囲内だけで作用するようになされている。したがって、背圧供給ポート１４ｄは、上記した一定角度の範囲内に納まる円弧状に形成され、この一定角度の範囲内でベーン溝底部１２ｂと連通して、ベーン溝底部１２ｂにベーン背圧を作用させてベーン１３をロータ１２のベーン溝１２ａから突出させることができるようになされている。
【００２１】
バイパス経路１５は、吐出路１４ａと吸入路１４ｂとの間を連絡するように設けられている。このパイパス経路１５には、開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとが直列に設けられている。
【００２２】
開閉弁１５ａは通常時はバイパス経路１５を閉じた状態に設定されている。
【００２３】
逆止弁１５ｂは、吸入路１４ｂ側から吐出路１４ａ側へはバイパス経路１５を流れるが、吐出路１４ａ側から吸入路１４ｂ側へはバイパス経路１５を流れない方向に設けられる。
【００２４】
開閉弁１５ａを開いた状態での開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとの圧力損失の合計は、吸入路１４ｂから吐出路１４ａへとシリンダ１１内を通過する際の圧力損失よりも小さくなるように設定されている。
【００２５】
開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとはどちらが流れの上流側に設けられても下流側に設けられても良い。
【００２６】
開閉弁１５ａは、通常時は閉じた状態となっているが、ベーン型ポンプ１の起動時に開かれる。すなわち、このベーン型ポンプ１の起動時は、ベーン１３の張り出しが不十分なためベーン型ポンプ１自体が圧力損失の原因となって吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力よりも低くなる現象が生じる。このときにバイパス経路１５の開閉弁１５ａを開いて吐出路１４ａと吸入路１４ｂとを一時的にパイパスすることにより、吐出口１１ａには、圧力損失を受ける前の吸入口１１ｂの圧力が働き、この吐出口１１ａを通じてベーン溝底部１２ｂにも吸入圧力が働いてベーン１３をシリンダ１１の内周壁に張り出すことができることとなる。
【００２７】
ベーン１３がシリンダ１１の内周壁に張り出すことができるようになれば、ベーン型ポンプ１は正常に起動し始め、吐出口１１ａのある吐出路１４ａ側の圧力が、吸入口１１ｂのある吸入路１４ｂ側の圧力よりも高くなってくるので、この吐出路１４ａ側の圧力が吸入路１４ｂ側の圧力よりも高くなったタイミングで開閉弁１５ａは閉じられる。このタイミングは、起動時から所定時間経過後に自動で閉じるものであってもよいし、起動後の運転状況を見て作業者が手動で閉じるものであってもよいし、ベーン型ポンプ１の吐出路１４ａと吸入路１４ｂとにそれぞれ圧力センサ（図示省略）を設けておき、この圧力変化を察知して自動で閉じるものであってもよい。また、この場合の圧力センサ（図示省略）としては、特に専用に設けたものでなくても、ベーン型ポンプ１の吸入路１４ｂのさらに上流側または吐出路１４ａのさらに下流側に設けられた他の目的の圧力センサ（図示省略）を利用するものであってもよい。
【００２８】
開閉弁１５ａを閉じるタイミングが遅れたとしても、バイパス経路１５には開閉弁１５ａに加えて逆止弁１５ｂを設けているので、このバイパス経路１５を介して吐出路１４ａ側から吸入路１４ｂ側に冷媒が逆流するのを防止することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、バイパス経路１５には、開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとを設けているが、開閉弁１５ａを閉じるタイミングを圧力センサ（図示省略）などによって計る構成とすることで、図５（ａ）に示すように、逆止弁１５ｂを省略して開閉弁１５ａのみの構成としてもよい。
【００３０】
また、図５（ｂ）に示すように、逆止弁１５ｂを残して開閉弁１５ａを省略した構成としてもよい。この場合、吸入路１４ｂ側の圧力が高い場合は、バイパス経路１５から逆止弁１５ｂを介して吐出路１４ａ側と連通し、圧力が均等になるが、吐出路１４ａ側の圧力が高くなった場合は、逆止弁１５ｂが働くので、吸入路１４ｂ側へと逆流することは無い。また、吐出路１４ａ側の圧力が高くなった場合は、吐出路１４ａ側の高圧によって逆止弁１５ｂが機能しなくなるので、開閉弁１５ａが無くても吸入路１４ｂ側からバイパス経路１５を介して吐出路１４ａ側へと冷媒が流れることをを防止でき、吸入路１４ｂ側からの冷媒をベーン型ポンプ１へと確実に流すことができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態では、バイパス経路１５とこのバイパス経路１５に設けられる開閉弁１５ａおよび／または逆止弁１５ｂは、シリンダ１１およびシリンダブロック１４の外に延設された吐出路１４ａと吸入路１４ｂとの間に接続されているが、シリンダ１１やシリンダブロック１４内に内装するように構成されたものであってもよい。
【００３２】
駆動モータ１６は、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動連結されている。この駆動連結は、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動モータ１６の駆動軸１６ａとを直接連結するものであっても良いし、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動モータ１６の駆動軸１６ａとの間でベルト駆動したり、チェーン駆動するものであってもよいし、ギアを歯合させて駆動するものであってもよい。駆動手段としては、駆動モータ１６以外に、エンジン駆動によるものであってもよいが、回転数を任意に制御することを容易に行うことができるため、駆動モータ１６を用いることが好ましい。
【００３３】
また、駆動連結としては、図６に示すように、マグネットカップリング駆動するものであってもよい。このマグネットカップリング駆動において、駆動モータ１６は、駆動軸１６ａの先端に円筒状のアウターマグ１６ｂが固定されている。このアウターマグ１６ｂの内周面には複数の永久磁石１６ｃが設けられている。一方、シリンダ１１のサイドブロック１７から突出したロータ１２の回転軸１２ｃには、外周面にマグネット１６ｄを設けた円筒状の回転子１６ｅが設けられている。この回転子１６ｅは、キャニスタ１６ｆ内に密閉される。このキャニスター１６ｆは、アウターマグ１６ｂの内部に非接触状態で挿入され、この状態で、回転子１６ｅのマグネット１６ｄとアウターマグ１６ｂの永久磁石１６ｃとが対向するようにセッティングされる。
【００３４】
このマグネットカップリング駆動によると、ベーン型ポンプ１の回転軸１２ｃの密封性を高めることができる。
【００３５】
また、図７に示すように、圧縮された冷媒によって回転する膨張機１０を、ベーン型ポンプ１の回転軸１２ｃと同軸で構成し、駆動モータ１６によるベーン型ポンプ１の駆動を、この膨張機１０によって補助するようにしてもよい。この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａにおいて、膨張機１０を構成するシリンダ１０ａは、ベーン型ポンプ１のシリンダ１１との間にシリンダブロック１８を介し、このシリンダブロック１８と他面側に設けたシリンダブロック１９とによってベーン型ポンプ１のシリンダ１１やシリンダブロック１７とともに固定される。この状態で膨張機１０は、ベーン型ポンプ１が冷媒を圧縮する方向に回転した際に、冷媒を膨張させる方向に回転してロータ１０ｂやベーン１０ｃが機能するように構成される。図７において、図６と同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００３６】
この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａによると、ベーン型ポンプ１によって圧縮した高圧冷媒で膨張機１０を回転させ、この膨張機１０の回転エネルギーをベーン型ポンプ１の駆動に利用するため、駆動を自己完結させることができ、駆動モータ１６による駆動力の削減を図ることができることとなる。
【００３７】
次に、この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａを用いた冷媒回路２について説明する。
【００３８】
図８は、このベーン型複合ポンプ１ａのベーン型ポンプ１の部分を、炭酸ガス冷媒を使用する冷媒回路２の補助圧縮機２１として使用し、膨張機１０の部分を膨張機２２として使用した例を示している。
【００３９】
冷房時に主圧縮機２３で低圧から中圧に圧縮された冷媒ガスは、オイルセパレータ２４、四方弁２５を介して第一の室外放熱器２６で放熱して冷却される。
【００４０】
冷却された冷媒ガスは、補助圧縮機２１で中圧から高圧に圧縮される。
【００４１】
補助圧縮機２１で高圧に圧縮された冷媒ガスは、第二の室外放熱器２７で放熱して冷却された後、膨張機２２で減圧膨張されて低圧となり、ブロック回路２８からレシーバー２９を経て熱交換器３０で蒸発気化し、主圧縮機２３へと流れ、以後同様に循環する。
【００４２】
この際のモリエル線図は、図９に示すようになる。図９において、横軸はエンタルピ、縦軸は圧力を示している。主圧縮機２３で低圧Ｐｌのａ点から中圧Ｐｍのｂ点まで圧縮された冷媒は、第一の室外放熱器２６でｃ点まで放熱した後、補助圧縮機２１で中圧Ｐｍのｃ点から高圧Ｐｈのｄ点まで圧縮される。そして、第二の室外放熱器２７でｅ点まで放熱した後、膨張機２２で、低圧Ｐｌのｆ点まで減圧膨張され、熱交換器３０で加熱された冷媒は、ａ点に戻る。
【００４３】
このように二酸化炭素を冷媒として使用した場合、主圧縮機２３と補助圧縮機２１とによる二段階圧縮により放熱域を長くして運転効率を高めることができる。また、主圧縮機２３で昇圧後、放熱してから補助圧縮機２１で再度昇圧するため、主圧縮機２３および補助圧縮機２１のそれぞれに加わる昇圧前後の差圧を緩和でき、一段階圧縮の場合と比較して摺動ロスを低減して耐久性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、補助圧縮機２１の駆動に要するエネルギーの一部は、膨張機２２で冷媒が膨張する際に回転して発生するエネルギーによって補助することができることとなるので、補助圧縮機２１の駆動に要するエネルギーを削減して冷媒回路２の省エネルギー化を図ることができる。
【００４５】
なお、上記したように、冷媒回路２にベーン型複合ポンプ１ａを用いた場合、補助圧縮機２１と膨張機２２とは、隣接した位置に設けられることとなるので、配管の取り回しが可能な冷媒回路２を構成しなければならない。したがって、このベーン型複合ポンプ１ａを用いる場合、冷媒回路２は、図１０（ａ）に示すように、チラー方式の冷暖房装置３に組み込まれる。この冷暖房装置３は、室内機３１と熱交換機３０との間を循環する熱媒体と、冷媒回路２を循環する冷媒との間で熱交換するように構成されており、冷媒回路２が納められた室外機３３と熱交換機３２とを、ともに室外に設けることができるので、上記したベーン型複合ポンプ１ａを用いても、配管の取り回しが可能となる。
【００４６】
また、上記した冷媒回路２では、ベーン型ポンプ１と膨張機１０とを隣接して設けたベーン型複合ポンプ１ａを使用しているため、チラー方式の冷暖房装置３を構成するようになされているが、図６に示す通常のベーン型ポンプ１を使用するのであれば、このようなチラー方式ではなく、図１０（ｂ）に示すように、膨張機２２を室内機３１に納めた直膨方式の冷暖房装置３ａを構成するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
空調装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１ ベーン型ポンプ
１１ シリンダ
１１ａ 吐出口
１１ｂ 吸入口
１２ ロータ
１２ａ ベーン溝
１２ｂ ベーン溝底部
１２ｃ 回転軸
１３ ベーン
１４ａ 吐出路
１４ｂ 吸入路
１５ バイパス経路
１５ａ 開閉弁（調圧手段）
１５ｂ 逆止弁（調圧手段）
１６ 駆動モータ（駆動手段）
１６ａ 駆動軸
１６ｂ アウターマグ（磁気継手）
１６ｃ 永久磁石（磁気継手）
１６ｄ マグネット（磁気継手）
１６ｅ 回転子（磁気継手）
１６ｆ キャニスタ（磁気継手）
２ 冷媒回路
２１ 補助圧縮機（二次圧縮機）
２２ 膨張機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイパス構造を有するベーン型ポンプと、それを用いた冷媒回路とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、楕円筒状のシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設けて構成されたベーン型ポンプが知られている。このベーン型ポンプは、ベーン溝底部に供給される潤滑油を、冷媒ガスの吐出圧で加圧することで、圧縮機起動時のベーンの飛び出しを良くしていた。
【０００３】
しかし、ベーン溝底部に供給される潤滑油を冷媒ガスの吐出圧で加圧する場合、吐出圧が高くなっていないとベーンの飛び出し性か悪くなってしまうことが懸念される。
【０００４】
そこで、従来より、このベーン型ポンプにおいて、起動時にベーンをシリンダ内周壁に張り出させるために、吐出圧によらない高圧冷媒をベーン溝底部に供給する構成が公知となっている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、起動時にベーンがロータの半径方向に飛び出したときに生ずるベーンとベーン溝底部との隙間に流れ込む冷媒が、ベーンのベーン溝底部への復帰により圧縮されて高圧となるので、この高圧冷媒を他のベーン溝底部に導く構成にすることによってベーンを張り出させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０９５８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１記載のベーン型ポンプの場合、起動時にベーンがシリンダ内を十分に仕切れないまでもロータの半径方向に飛び出すことが前提となっており、ベーンの飛び出し量が不十分な場合には、対応できない可能性がある。
【０００８】
本発明は係る実情に鑑みてなされたものであって、ベーンとベーン溝底部との間に流れ込む冷媒によらないで起動時にベーンをシリンダ内周壁に張り出させることができるベーン型ポンプと、これを利用した冷媒回路とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明のベーン型ポンプは、楕円筒状のシリンダを設け、このシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設け、吐出口からベーン溝底部への連通経路を設けたベーン型ポンプにおいて、吐出口と吸入口との間に通常時閉のバイパス経路を設け、前記ロータの駆動手段を設け、ロータの駆動開始後にバイパス経路が開き、吐出口の圧力が吸入口の圧力より高くなったらバイパス経路が閉じる調圧手段を設けたものである。
【００１０】
上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、吐出ガス冷媒の膨張によって回転する膨張機を駆動手段として設けたものである。
【００１１】
上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、電動機を駆動手段として設けたものである。また、上記ベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸と電動機の出力軸とを磁気継手で連結したものである。
【００１２】
また、上記課題を解決するための本発明の冷媒回路は、上記ベーン型ポンプを、第二圧縮機として備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上述べたように、本発明によると、ベーン型ポンプの起動時は、ベーンの張り出しが不十分なためポンプ自体が圧力損失の原因となって吐出口圧力が吸入口圧力よりも低くなる現象が生じる。このときにバイパス経路の調圧手段によって吐出口と吸入口とを一時的にパイパスすることにより、吐出口には、圧力損失を受ける前の吸入口圧力が働き、この吐出口を通じてベーン溝底部にも吸入圧力が働いてベーンをシリンダ内周壁に張り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るバイパス構造を有するベーン型ポンプの全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係るベーン型ポンプの要部構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明に係るベーン型ポンプのシリンダに納まったロータ部分を示す平面図である。
【図４】図２に示すシリンダブロックのIV-IV線断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は本発明に係るベーン型ポンプの他の実施の形態を示す概略図である。
【図６】本発明に係るベーン型ポンプの駆動連結状態を説明する断面図である。
【図７】図６のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７に示す本発明に係るベーン型ポンプを使用した冷媒回路図である。
【図９】図８に示す冷媒回路のモリエル線図である。
【図１０】（ａ）は図７に示すベーン型ポンプを使用した冷暖房装置の概略図、（ｂ）は図６に示すベーン型ポンプを使用した冷暖房装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１ないし図４は本発明に係るベーン型ポンプ１の全体構成の概略を示している。
【００１７】
すなわち、このベーン型ポンプ１は、楕円筒状のシリンダ１１を設け、このシリンダ１１内に放射状に形成された複数のベーン溝１２ａを有するロータ１２を回転可能に設け、このベーン溝１２ａの各々にロータ１２の半径方向に移動可能なベーン１３を設け、吐出口１１ａからベーン溝底部１２ｂへの連通経路１４ｃを設けたものにおいて、吐出口１１ａと吸入口１１ｂとの間に、開閉弁１５ａおよび逆止弁１５ｂを有するバイパス経路１５を設け、前記ロータ１２の駆動モータ１６を設け、ロータ１２の駆動開始後にバイパス経路１５が開き、吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力より高くなったらバイパス経路１５が閉じるものである。
【００１８】
シリンダ１１は、内周面が楕円筒状に形成されており、内周壁面には吐出口１１ａと吸入口１１ｂとが交互に二つずつ設けられている。吐出口１１ａ同士と、吸入口１１ｂ同士とは、それぞれ対向する位置に設けられている。吐出口１１ａは、シリンダ１１およびサイドブロック１４に設けられた吐出路１４ａを介して圧縮した冷媒を外部に吐出することができるようになされている。吸入口１１ｂもシリンダ１１およびサイドブロック１４に設けられた吸入路１４ｂを介して冷媒をシリンダ１１内に吸入することができるようになされている。このシリンダ１１の底面に相当するシリンダ１１のサイドブロック１４には、円弧溝状に形成された背圧供給ポート１４ｄが設けられている。この背圧供給ポート１４ｄは、図４に示すように、吐出路１４ａとの間を連絡経路１４ｃによって連絡されている。
【００１９】
ロータ１２は、シリンダ１１内に装着可能な円柱状に形成されており、その中心には、回転軸取付穴１２ｄが設けられて回転軸１２ｃが取り付けられている。このロータ１２は、シリンダ１１内に装着される。ロータ１２の外周面にはスリット状のベーン溝１２ａが放射状に形成されている。各ベーン溝１２ａには、ロータ１２の半径方向に出没可能にベーン１３が装着される。
【００２０】
ベーン１３は、ロータ１２の回転による遠心力とベーン溝底部１２ｂに作用するベーン背圧とによりロータ１２の外周面からシリンダ１１の内周面に向かって進退自在となっており、シリンダ１１の内周面とロータ１２の外周面とで形成される空間を、複数の圧縮室１１０に仕切っている。この際、ベーン溝底部１２ｂに作用するベーン背圧は、シリンダ１１およびサイドブロック１４の吐出路１４ａから連絡経路１４ｃを介して背圧供給ポート１４ｄから供給される。このベーン背圧は、シリンダ１１の内周面とロータ１２の外周面との距離が離れた位置に来る一定角度の範囲内だけで作用するようになされている。したがって、背圧供給ポート１４ｄは、上記した一定角度の範囲内に納まる円弧状に形成され、この一定角度の範囲内でベーン溝底部１２ｂと連通して、ベーン溝底部１２ｂにベーン背圧を作用させてベーン１３をロータ１２のベーン溝１２ａから突出させることができるようになされている。
【００２１】
バイパス経路１５は、吐出路１４ａと吸入路１４ｂとの間を連絡するように設けられている。このパイパス経路１５には、開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとが直列に設けられている。
【００２２】
開閉弁１５ａは通常時はバイパス経路１５を閉じた状態に設定されている。
【００２３】
逆止弁１５ｂは、吸入路１４ｂ側から吐出路１４ａ側へはバイパス経路１５を流れるが、吐出路１４ａ側から吸入路１４ｂ側へはバイパス経路１５を流れない方向に設けられる。
【００２４】
開閉弁１５ａを開いた状態での開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとの圧力損失の合計は、吸入路１４ｂから吐出路１４ａへとシリンダ１１内を通過する際の圧力損失よりも小さくなるように設定されている。
【００２５】
開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとはどちらが流れの上流側に設けられても下流側に設けられても良い。
【００２６】
開閉弁１５ａは、通常時は閉じた状態となっているが、ベーン型ポンプ１の起動時に開かれる。すなわち、このベーン型ポンプ１の起動時は、ベーン１３の張り出しが不十分なためベーン型ポンプ１自体が圧力損失の原因となって吐出口１１ａの圧力が吸入口１１ｂの圧力よりも低くなる現象が生じる。このときにバイパス経路１５の開閉弁１５ａを開いて吐出路１４ａと吸入路１４ｂとを一時的にパイパスすることにより、吐出口１１ａには、圧力損失を受ける前の吸入口１１ｂの圧力が働き、この吐出口１１ａを通じてベーン溝底部１２ｂにも吸入圧力が働いてベーン１３をシリンダ１１の内周壁に張り出すことができることとなる。
【００２７】
ベーン１３がシリンダ１１の内周壁に張り出すことができるようになれば、ベーン型ポンプ１は正常に起動し始め、吐出口１１ａのある吐出路１４ａ側の圧力が、吸入口１１ｂのある吸入路１４ｂ側の圧力よりも高くなってくるので、この吐出路１４ａ側の圧力が吸入路１４ｂ側の圧力よりも高くなったタイミングで開閉弁１５ａは閉じられる。このタイミングは、起動時から所定時間経過後に自動で閉じるものであってもよいし、起動後の運転状況を見て作業者が手動で閉じるものであってもよいし、ベーン型ポンプ１の吐出路１４ａと吸入路１４ｂとにそれぞれ圧力センサ（図示省略）を設けておき、この圧力変化を察知して自動で閉じるものであってもよい。また、この場合の圧力センサ（図示省略）としては、特に専用に設けたものでなくても、ベーン型ポンプ１の吸入路１４ｂのさらに上流側または吐出路１４ａのさらに下流側に設けられた他の目的の圧力センサ（図示省略）を利用するものであってもよい。
【００２８】
開閉弁１５ａを閉じるタイミングが遅れたとしても、バイパス経路１５には開閉弁１５ａに加えて逆止弁１５ｂを設けているので、このバイパス経路１５を介して吐出路１４ａ側から吸入路１４ｂ側に冷媒が逆流するのを防止することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、バイパス経路１５には、開閉弁１５ａと逆止弁１５ｂとを設けているが、開閉弁１５ａを閉じるタイミングを圧力センサ（図示省略）などによって計る構成とすることで、図５（ａ）に示すように、逆止弁１５ｂを省略して開閉弁１５ａのみの構成としてもよい。
【００３０】
また、図５（ｂ）に示すように、逆止弁１５ｂを残して開閉弁１５ａを省略した構成としてもよい。この場合、吸入路１４ｂ側の圧力が高い場合は、バイパス経路１５から逆止弁１５ｂを介して吐出路１４ａ側と連通し、圧力が均等になるが、吐出路１４ａ側の圧力が高くなった場合は、逆止弁１５ｂが働くので、吸入路１４ｂ側へと逆流することは無い。また、吐出路１４ａ側の圧力が高くなった場合は、吐出路１４ａ側の高圧によって逆止弁１５ｂが機能しなくなるので、開閉弁１５ａが無くても吸入路１４ｂ側からバイパス経路１５を介して吐出路１４ａ側へと冷媒が流れることをを防止でき、吸入路１４ｂ側からの冷媒をベーン型ポンプ１へと確実に流すことができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態では、バイパス経路１５とこのバイパス経路１５に設けられる開閉弁１５ａおよび／または逆止弁１５ｂは、シリンダ１１およびシリンダブロック１４の外に延設された吐出路１４ａと吸入路１４ｂとの間に接続されているが、シリンダ１１やシリンダブロック１４内に内装するように構成されたものであってもよい。
【００３２】
駆動モータ１６は、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動連結されている。この駆動連結は、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動モータ１６の駆動軸１６ａとを直接連結するものであっても良いし、ロータ１２の回転軸１２ｃと駆動モータ１６の駆動軸１６ａとの間でベルト駆動したり、チェーン駆動するものであってもよいし、ギアを歯合させて駆動するものであってもよい。駆動手段としては、駆動モータ１６以外に、エンジン駆動によるものであってもよいが、回転数を任意に制御することを容易に行うことができるため、駆動モータ１６を用いることが好ましい。
【００３３】
また、駆動連結としては、図６に示すように、マグネットカップリング駆動するものであってもよい。このマグネットカップリング駆動において、駆動モータ１６は、駆動軸１６ａの先端に円筒状のアウターマグ１６ｂが固定されている。このアウターマグ１６ｂの内周面には複数の永久磁石１６ｃが設けられている。一方、シリンダ１１のサイドブロック１７から突出したロータ１２の回転軸１２ｃには、外周面にマグネット１６ｄを設けた円筒状の回転子１６ｅが設けられている。この回転子１６ｅは、キャニスタ１６ｆ内に密閉される。このキャニスター１６ｆは、アウターマグ１６ｂの内部に非接触状態で挿入され、この状態で、回転子１６ｅのマグネット１６ｄとアウターマグ１６ｂの永久磁石１６ｃとが対向するようにセッティングされる。
【００３４】
このマグネットカップリング駆動によると、ベーン型ポンプ１の回転軸１２ｃの密封性を高めることができる。
【００３５】
また、図７に示すように、圧縮された冷媒によって回転する膨張機１０を、ベーン型ポンプ１の回転軸１２ｃと同軸で構成し、駆動モータ１６によるベーン型ポンプ１の駆動を、この膨張機１０によって補助するようにしてもよい。この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａにおいて、膨張機１０を構成するシリンダ１０ａは、ベーン型ポンプ１のシリンダ１１との間にシリンダブロック１８を介し、このシリンダブロック１８と他面側に設けたシリンダブロック１９とによってベーン型ポンプ１のシリンダ１１やシリンダブロック１７とともに固定される。この状態で膨張機１０は、ベーン型ポンプ１が冷媒を圧縮する方向に回転した際に、冷媒を膨張させる方向に回転してロータ１０ｂやベーン１０ｃが機能するように構成される。図７において、図６と同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００３６】
この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａによると、ベーン型ポンプ１によって圧縮した高圧冷媒で膨張機１０を回転させ、この膨張機１０の回転エネルギーをベーン型ポンプ１の駆動に利用するため、駆動を自己完結させることができ、駆動モータ１６による駆動力の削減を図ることができることとなる。
【００３７】
次に、この駆動アシスト機能付のベーン型複合ポンプ１ａを用いた冷媒回路２について説明する。
【００３８】
図８は、このベーン型複合ポンプ１ａのベーン型ポンプ１の部分を、炭酸ガス冷媒を使用する冷媒回路２の補助圧縮機２１として使用し、膨張機１０の部分を膨張機２２として使用した例を示している。
【００３９】
冷房時に主圧縮機２３で低圧から中圧に圧縮された冷媒ガスは、オイルセパレータ２４、四方弁２５を介して第一の室外放熱器２６で放熱して冷却される。
【００４０】
冷却された冷媒ガスは、補助圧縮機２１で中圧から高圧に圧縮される。
【００４１】
補助圧縮機２１で高圧に圧縮された冷媒ガスは、第二の室外放熱器２７で放熱して冷却された後、膨張機２２で減圧膨張されて低圧となり、ブロック回路２８からレシーバー２９を経て熱交換器３０で蒸発気化し、主圧縮機２３へと流れ、以後同様に循環する。
【００４２】
この際のモリエル線図は、図９に示すようになる。図９において、横軸はエンタルピ、縦軸は圧力を示している。主圧縮機２３で低圧Ｐｌのａ点から中圧Ｐｍのｂ点まで圧縮された冷媒は、第一の室外放熱器２６でｃ点まで放熱した後、補助圧縮機２１で中圧Ｐｍのｃ点から高圧Ｐｈのｄ点まで圧縮される。そして、第二の室外放熱器２７でｅ点まで放熱した後、膨張機２２で、低圧Ｐｌのｆ点まで減圧膨張され、熱交換器３０で加熱された冷媒は、ａ点に戻る。
【００４３】
このように二酸化炭素を冷媒として使用した場合、主圧縮機２３と補助圧縮機２１とによる二段階圧縮により放熱域を長くして運転効率を高めることができる。また、主圧縮機２３で昇圧後、放熱してから補助圧縮機２１で再度昇圧するため、主圧縮機２３および補助圧縮機２１のそれぞれに加わる昇圧前後の差圧を緩和でき、一段階圧縮の場合と比較して摺動ロスを低減して耐久性の向上を図ることができる。
【００４４】
また、補助圧縮機２１の駆動に要するエネルギーの一部は、膨張機２２で冷媒が膨張する際に回転して発生するエネルギーによって補助することができることとなるので、補助圧縮機２１の駆動に要するエネルギーを削減して冷媒回路２の省エネルギー化を図ることができる。
【００４５】
なお、上記したように、冷媒回路２にベーン型複合ポンプ１ａを用いた場合、補助圧縮機２１と膨張機２２とは、隣接した位置に設けられることとなるので、配管の取り回しが可能な冷媒回路２を構成しなければならない。したがって、このベーン型複合ポンプ１ａを用いる場合、冷媒回路２は、図１０（ａ）に示すように、チラー方式の冷暖房装置３に組み込まれる。この冷暖房装置３は、室内機３１と熱交換機３０との間を循環する熱媒体と、冷媒回路２を循環する冷媒との間で熱交換するように構成されており、冷媒回路２が納められた室外機３３と熱交換機３２とを、ともに室外に設けることができるので、上記したベーン型複合ポンプ１ａを用いても、配管の取り回しが可能となる。
【００４６】
また、上記した冷媒回路２では、ベーン型ポンプ１と膨張機１０とを隣接して設けたベーン型複合ポンプ１ａを使用しているため、チラー方式の冷暖房装置３を構成するようになされているが、図６に示す通常のベーン型ポンプ１を使用するのであれば、このようなチラー方式ではなく、図１０（ｂ）に示すように、膨張機２２を室内機３１に納めた直膨方式の冷暖房装置３ａを構成するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
空調装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１ ベーン型ポンプ
１１ シリンダ
１１ａ 吐出口
１１ｂ 吸入口
１２ ロータ
１２ａ ベーン溝
１２ｂ ベーン溝底部
１２ｃ 回転軸
１３ ベーン
１４ａ 吐出路
１４ｂ 吸入路
１５ バイパス経路
１５ａ 開閉弁（調圧手段）
１５ｂ 逆止弁（調圧手段）
１６ 駆動モータ（駆動手段）
１６ａ 駆動軸
１６ｂ アウターマグ（磁気継手）
１６ｃ 永久磁石（磁気継手）
１６ｄ マグネット（磁気継手）
１６ｅ 回転子（磁気継手）
１６ｆ キャニスタ（磁気継手）
２ 冷媒回路
２１ 補助圧縮機（二次圧縮機）
２２ 膨張機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円筒状のシリンダを設け、このシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設け、吐出口からベーン溝底部への連通経路を設けたベーン型ポンプにおいて、
吐出口と吸入口との間に通常時閉のバイパス経路を設け、前記ロータの駆動手段を設け、ロータの駆動開始後にバイパス経路が開き、吐出口の圧力が吸入口の圧力より高くなったらバイパス経路が閉じる調圧手段を設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、吐出ガス冷媒の膨張によって回転する膨張機を駆動手段として設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、電動機を駆動手段として設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項４】
請求項３記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸と電動機の出力軸とを磁気継手で連結したことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一記載のベーン型ポンプを、第二圧縮機として備えたことを特徴とする冷媒回路。
【請求項１】
楕円筒状のシリンダを設け、このシリンダ内に放射状に形成された複数のベーン溝を有するロータを回転可能に設け、このベーン溝の各々にロータ半径方向に移動可能なベーンを設け、吐出口からベーン溝底部への連通経路を設けたベーン型ポンプにおいて、
吐出口と吸入口との間に通常時閉のバイパス経路を設け、前記ロータの駆動手段を設け、ロータの駆動開始後にバイパス経路が開き、吐出口の圧力が吸入口の圧力より高くなったらバイパス経路が閉じる調圧手段を設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、吐出ガス冷媒の膨張によって回転する膨張機を駆動手段として設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸に、電動機を駆動手段として設けたことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項４】
請求項３記載のベーン型ポンプにおいて、ロータの駆動軸と電動機の出力軸とを磁気継手で連結したことを特徴とするベーン型ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一記載のベーン型ポンプを、第二圧縮機として備えたことを特徴とする冷媒回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２７０７１８（Ｐ２０１０−２７０７１８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２４５１０（Ｐ２００９−１２４５１０）
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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